ANSYS nCode DesignLife技巧：材料映射详解

NSYS Workbench 是多物理学科仿真的完美解决方案。作为新一代的集成操作环境，ANSYS Workbench 把结构、传热、磁场、流体、跌落、冲击等全面的分析功能融为一体，使耦合分析更加灵活、方便。利用ANSYS Workbench 环境，设计人员和分析专家、项目管理者等仿真业务相关的所有人员可以在统一的工作环境中高效协作。

nCode公司的新一代疲劳分析软件DesignLife继承了其传统产品的优越性，它是一个面向过程的，基于有限元的疲劳分析包，用于识别危险点位置并计算疲劳寿命。它基于nCode的强大能力和灵活性所提供的分析引擎，除了通常的应力-寿命计算和应变-寿命计算以外，还提供了点焊疲劳分析和缝焊疲劳分析，从而为焊接件的疲劳分析提供了强大的支持，另外，振动测试也可以在频域中进行直接仿真。

1、疲劳概念

疲劳损伤发生在受交变应力（或应变）作用的零件和构件，零件和构件在低于材料屈服极限的交变应力（或应变）的反复作用下，经过一定的循环次数以后，在应力集中部位萌生裂纹，裂纹在一定条件下扩展，最终突然断裂，这一失效过程称为疲劳破坏。

疲劳失效典型的可以被视为3个阶段

–stage 1: crack initiation初始裂纹

–stage 2: stable crack growth裂纹扩展
     

–stage 3: fast fracture快速断裂
     

Fatigue life = crack initiation 初始裂纹+ crack growth裂纹扩展

CAE疲劳耐久的分析方法如图1所示。

图1 CAE疲劳耐久的分析方法

Stress-life (SN)和Strain-life (EN)方法是CAE疲劳分析的常用方法。Stress-life (SN) 方法是计算线性应力以及应力的疲劳曲线(S-N curves)，它的特点是假设应力驱动疲劳产生，且仅仅适用高周疲劳；Strain-life (EN)方法则使用弹-塑性应变和应变寿命关系方程，它的特点是假设局部的塑性应变驱动疲劳产生，同时适用高周和低周疲劳。

2、材料数据库

ANSYS Workbench nCode疲劳分析的5个步骤如图2所示。本文主要介绍材料映射在疲劳分析中的重要作用。

图2 CAE nCode疲劳分析的步骤

nCode完整的材料数据库被集成到 ANSYS Workbench Engineering Data中，它的材料多余200种。每一个材料库中的材料均具有stress-life (SN) 或strain-life (EN) 疲劳属性。当DesignLife

系统分享结构系统的工程材料数据时，nCode则打开ds.dat文件并读取材料信息，如图3所示。

图3 nCode与Engineering Data材料库共享

选择nCode材料数据库，如果材料数据库不存在，点击“增加材料数据”按钮，并浏览文件，如图4所示。

图4 nCode材料数据库

3、材料映射（Material Mapping)编辑方法

在Analysis Engine中单击右键，选择Edit Material Mapping 对材料属性进行定义设置和修改，如图5所示

图5 Edit Material Mapping材料编辑

识别“材料类型(Material Type)”，并且增加材料，选择需要的材料和类型，具体操作如图6所示。

图6 材料和类型的选择

与此同时，表面加工和处理也将会影响材料的疲劳行为。表面加工和处理的影响可以通过表面因子K_sur来模拟。

K_sur = K_treatment * K_user * K_roughness

K_treatment  = surface treatment factor 表面处理因子

K_user     = user surface factor 用户自定义表面因子(类似于安全系数)

K_roughness  = surface roughness type 表面粗糙度类型

如果K_treatment > 1，结构疲劳寿命提高，K_treatment < 1，结构的疲劳寿命降低；K_user > 1，结构疲劳寿命提高，K_user < 1，结构的疲劳寿命降低；K_roughness 的选取则基于强度与材料的类型。K_treatment，K_user 和K_roughness的编辑界面如图7所示。

图7 K_treatment，K_user 和K_roughness的编辑界面

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